广州亚运城软土的工程特性

刘志方，彭卫平

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

广州亚运城软土的工程特性

刘志方∗，彭卫平

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

根据广州亚运城岩土工程勘察中大量的土工试验、原位测试和钻探资料，综合分析了亚运城场地三角洲相软土的物理力学性质和不良工程特性，并结合工程实际，提出了软土地基处理措施。

软土；抗剪强度；固结变形；承载力特征值；地基处理

1 引 言

广州亚运城是广州市2010年举办第16届亚运会的体育中心区，总面积约2.7 km2，拟建运动员村、媒体村和技术官员村等多层(3层～6层)和高层(11层～14层)建筑及相应配套设施约210万m2，以及多功能体育馆、大量市政道路、停车场和室外运动场等。

根据勘察资料[1，2]，本场区广泛分布厚度较大的第四系三角洲相沉积软土，以流塑状淤泥为主，其不良工程性质将对建筑基础、市政道路和停车场等的设计与施工产生不利影响。本文根据亚运城岩土工程勘察时大量的土工试验和原位测试资料，综合分析了淤泥(质土)的物理力学性质、抗剪强度和固结变形特性，进行承载力和软土地基处理对比计算，结合亚运城工程建设实际情况，提出了合适的软土地基处理措施。

2 软土成因及分布结构

根据现场勘察和区域地质资料，广州亚运城场区已揭露软土以淤泥为主，夹淤泥质土，属全新世海陆交互三角洲相超覆式沉积层()，灰黑～深灰色，流塑，局部含腐木及腐殖质，层厚约3 m～6 m，局部厚达8 m～9 m。竖向上，呈上层淤泥(2－1层)、下层砂土(2－2层粉细砂)的二元结构特征(如图1所示)，粉细砂层结构松散，含少量淤泥，下伏(3－2)层可塑状粉质粘土、粘土层，属晚更新世冲积成因粘性土()，经雨水淋滤，呈灰黄、花斑色，工程性质较好，有较高的承载力，fak约190 kPa。

局部地段可见两个沉积旋迴，分布上下两层淤泥，上层淤泥(2－1层)含砂量较高，多夹粉细砂层，具有水平交错、不规则交错层理。下层淤泥(4层)属晚更新世晚期三角洲相沉积()，浅灰色，土质较纯，含砂量少，手捏滑感好，多呈透镜体状分布，其下伏松散至稍密的中粗砂层(如图2所示)。

图1 亚运城软土主要分布示意图[4]

图2 局部两层软土分布示意图[4]

颗粒级配试验结果统计表 表1

对两层淤泥取样进行颗粒级配试验(如表1所示)，试验结果表明两层淤泥的土粒组成以粉粒、粘粒和胶粒为主，砂粒较少，级配良好，絮状胶结，粉粒的含量约为粘粒含量的2倍，其渗透性较一般的海相或三角洲相淤泥要好，但淤泥层下伏松散至稍密砂土，地下水丰富，对软土地基排水固结将产生不利影响。

3 软土的工程特性

3.1 软土的物理力学性质

广州亚运城场地勘察时，分别采取第(2－1)层和(4)层淤泥土样各283组和104组进行室内土样常规物理力学性质试验，试验结果统计如表2所示。从表中可以看出，淤泥含水量高，塑性指数和液性指数大，抗剪强度低，压缩系数和压缩模量低，各指标变异性较少，土质相对较均匀。

亚运城场地软土的物理力学性质指标 表2

渗透系数统计表 表3

固结系数(时间平方根法)Cv值统计表 表4

选取有代表性的淤泥样进行室内渗透试验，统计竖向(KV)及水平向(KH)渗透系数统计如表3所示。试验结果表明亚运城淤泥的渗透系数较其他沿海地区的淤泥要高，也高于行业手册[3]列出的经验值，这与本场地淤泥颗分试验显示粉粒含量偏高的结果相符。

为进一步了解淤泥的固结变形特征，对(2－1)层淤泥进行了固结压缩试验，采用平方根法测定其固结系数(统计如表4所示)，固结系数与荷载的关系如图3所示，图3显示淤泥固结系数随有效应力的增大而增大。

图3 固结系数Cv与竖向压力关系图

3.2 原位测试成果

在场地内0.5 m～5.0 m的深度范围内，对(2－1)层淤泥进行了静力触探试验(如表5所示)和原位十字板剪切试验(如表6所示)。

静力触探测试数据统计表 表5

十字板剪切试验数据统计表 表6

统计结果显示，亚运城软土的比贯入阻力Ps平均值约0.21 MPa，锥尖阻力Fc平均值约0.37 MPa，侧摩阻力fs平均值约3.51 MPa，低于大部分沿海软土的统计值。

淤泥原状土平均不排水强度12.9 kPa，扰动土平均不排水强度2.6 kPa，灵敏度3.5～9.0，属于中等～高灵敏度。同一孔中随试验深度加大，土的不排水强度有所增高，有一定的线性增长关系。可初步回归分析建立关系为:Cu＝5.53h＋3.48，如图4所示，在测试深度1 m～4 m范围测试点的抗剪强度主要分布在8 kPa～20 kPa之间。

图4 十字板抗剪强度与深度关系图

3.3 软土的承载力特征值

目前淤泥承载力的计算方法较多，计算结果随选用方法与选取参数不同而存在一定的差异。根据已有勘察资料选用以下三种方法计算淤泥承载力特征值:

(1)经验法

按淤泥土工试验指标天然含水量w，参照广东省标准DBJ15－31－2003《建筑地基基础设计规范》[3]中表4.4.2－5沿海地区淤泥和淤泥质土承载力特征值的经验值fak，可初步确定亚运城场地(2－1)层淤泥的承载力特征值为40 kPa，第(4)层淤泥的承载力特征值为60 kPa。

(2)原位测试法

静力触探经验公式:

式中:q——地基土的容许承载力(kPa)

ps——静力触探探头的比贯入阻力(kPa)

根据现场静力触探试验数据，(2－1)层淤泥的ps值平均值0.21 Mpa，标准值0.20 MPa，计算得q＝43.9 kPa。

中国建筑科学研究院、华东电力设计院建立的十字板剪切试验公式[4]:

式中:q——地基承载力(kPa)；

Cu——修正后的十字板抗剪强度(kPa)；

r——土的有效容重(kN/m3)；

h——基础埋置高度(m)；

根据现场原位十字板剪切试验数据，第(2－1)层淤泥的Cu平均值为12.9 kPa，标准值11.6 kPa，取Cu＝12.9 kPa，r＝16 kN/m3，h＝2.0 m，稳定地下水位取0.5 m，浮容重r′＝6 kN·m3，计算得q＝37.8 kPa。

(3)按规范公式计算

参照行业标准[5]推荐的根据原状土强度指标确定软土地基容许承载力[fa]:

式中:m——安全系数，1.5～2.5，软土灵敏度高，且基础长宽比小时取高值；

Cu——不排水抗剪强度(kPa)；

kP——基础形状及倾斜荷载的修正系数，取1；

r2——基底以下土的容重，地下水位以下取浮容重(kN/m3)；

h——基础埋深(m)。

计算出(2－1)层淤泥的容许承载力＝38.5 kPa。

以上4种方法的计算结果分别为40 kPa、43.9 kPa、37.8 kPa和38.5 kPa，平均值约40 kPa，可确定(2－1)层淤泥的承载力特征值为40 kPa。

3.4 不良工程性质

综合分析广州亚运城原状土样常规物理力学性质、原位测试成果及现场勘探资料，可以确定亚运城软土具有以下不良的工程性质:

(1)高含水量:亚运城(2－1)层淤泥的含水量w平均值为72.5%，最大值达128%，含水量高于液限，呈饱和状态。孔隙比大，平均值为1.886，最大值达3.508，土体组成以粉粒和粘粒为主，絮状胶结，结构疏松。

(2)高压缩性:压缩系数a1－2试验值主要分布在1.1 MPa～2.3 MPa，平均值为1.628 MPa－1，最大值高达3.65 MPa－1，比大部分沿海软土高，压缩模量平均值1.889 MPa，压缩沉降量大，且固结系数低，排水固结缓慢，地基稳定性差。

(3)低强度:现场十字板剪切试验实测原状不排水抗剪强度为12.9 kPa，重塑土不排水抗剪强度为0.9 kPa～5.2 kPa，平均值2.6 kPa，属高灵敏度软土，静力触探测试软土的锥尖阻力和侧摩阻力不大，标贯击数〈1击，呈稀泥状，表明亚运城软土的抗剪强度和承载力极低，临界自稳高度很小。

(4)触变性:亚运城软土属高灵敏度土，受振动荷载后，土体抗剪强度急剧降低，易产生侧向滑动、沉降或基础下土体挤出等不良现象。

(5)不均匀性:受沉积环境影响，软土层中间夹薄层粉土或粉细砂透镜体，水平和垂向上分布不均匀，各向异性较明显。

亚运城淤泥尚具有低渗透性、流变性等不良工程性质，在长期荷载作用下，发生缓慢而长期的剪切变形，对地基不均匀沉降有较大的影响。邻近地区填土修筑的市政快速路路面均出现不规则的波状起伏，给行车安全和后期养护带来了较大的麻烦。

4 软土地基处理

广州亚运城内拟建运动员村、媒体村及配套公共建筑等，主要为3层～14层多层至小高层建筑，下设一层地下室。场地地表标高5.0 m～5.50 m(广州高程系)，设计± 0.00标高相当于广州高程系7.50 m，基坑实际开挖深度4 m～4.5 m，地下室底板主要位于淤泥层中。因此所有建筑物均采用预应力管桩基础，选择强风化基岩做桩端持力层，且在基坑开挖后施工，有效桩长15 m～22 m，避免了淤泥的不良工程性质对桩基础施工的影响。

市政道路、停车场等设计地面标高约7.2 m～7.4 m，对地基承载力的要求约为60 kPa～80 kPa，填土整平后如何控制地面不均匀沉降和保证地基承载力是软土地基处理设计的关键，常用的软土地基处理方法有水泥土搅拌桩法和堆载预压法。

水泥土搅拌法是加固饱和软土地基的一种常用方法，在广州地区已有非常成熟的施工经验和质量检测标准，其处理深度一般为8 m～12 m左右，最深可达16 m～18 m，由水泥土搅拌桩与桩间土构成复合地基，其力学性质大大改善，地基的抗剪强度显著提高，工后沉降较少。根据场地淤泥分布特征，参照行业标准[6]中11.2.9－1、11.2.9－2公式计算水泥土搅拌桩复合土层的压缩变形及桩端下卧层的压缩变形。工况计算参数如下:填土层厚2.0 m，路基附加应力取60 kPa～80 kPa，淤泥层厚分别取3.5 m、5.5 m、7 m.5 m，水泥土搅拌桩穿过淤泥进入(3－2)层可塑状粘性土中1 m，桩径0.5 m，梅花形布置，桩间距取1.3 m，桩体压缩模量Ep＝50 MPa，填土重度取20 kN/m3，施工期3个月，估算3种厚度淤泥复合地基的沉降分别为38 mm、45 mm、73 mm，下卧层沉降约14 mm，施工后沉降小于29 mm。

堆载预压排水固结法是采用砂井或塑料排水板在软土层内形成垂向渗水通道，在填土荷载预压下加快排出孔隙水，提高软土的固结速率，从而提高软基强度和承载力。亚运城场地设计地面标高比原地面高约2 m，需堆土填高，采用堆载预压法结合场地堆填，既经济又节省工期，对室外地坪和绿化用地等差异沉降控制要求不高的场地能达到较理想的加固效果。假定采用塑料排水板做竖向排水体，间距1.5 m，填土高度2.4 m，施工期5个月，按上述规范[6]5.2.12式计算一级荷载作用下不同厚度淤泥层的最终竖向沉降量分别为387 mm、626 mm、943 mm，施工期平均固结度能达到65%～74%；如果不设置塑料排水板，施工期平均固结度能达到42%～47%，施工后沉降相对稳定需11个月～12个月。

考虑到地面建筑施工工期，对室外地坪、绿化用地及公共广场采用填土堆载预压是可行的，而对市政道路、停车场，则因工后沉降较大，且受淤泥层厚度变化影响，存在安全隐患，宜采用水泥土搅拌桩进行加固处理。

5 结 论

(1)广州亚运城广泛分布厚度较大的第四系三角洲相淤泥，絮状胶结，流塑状态，竖向上呈上层淤泥、下层砂土的二元结构特征。

(2)淤泥具有高含水量、高压缩性、高灵敏度、低渗透性和低强度等不良工程性质，承载力特征值仅为40 kPa。

(3)综合比较确定对于一般的室外地坪、绿化用地及公共广场等场地，可结合填土整平采用堆载预压法处理软土地基，对市政道路和停车场，应采用水泥土搅拌法加固构成复合地基以消除淤泥层不均匀沉降和过大工后沉降的不良影响。

[1] 广州市城市规划勘测设计研究院.广州亚运村工程地质普查报告[M].2007

[2] 广州市城市规划勘测设计研究院.广州亚运城运动员村岩土工程勘察报告[M].2008

[3] DBJ 15－31－2003.建筑地基基础设计规范[S].

[4] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社，2007

[5] JTG D63－2007.公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[6] JGJ79－2002.建筑地基处理技术规范[S].

Engineering properties of soft clay of Guangzhou Asian Games City

Liu ZhiFang，Peng WeiPing
(Guangzhou urban planning＆survey research institute，Guangzhou 510060，China)

According to a large number of geotechnical engineering soil tests，in situ tests and survey data of Guangzhou Asian Games City，this paper gave a comprehensive analysis of the physical and mechanical properties and bad engineering properties of soft clay，and put forward the foundation treatment measures combined with engineering practice.

Soft clay；Shear strength；Consolidation deformation；Bearing capacity value；Foundation treatment

1672－8262(2010)06－156－05

TU447

B

2010—10—07

刘志方(1981—)，男，工程师，国家注册土木工程(岩土)师，主要从事岩土工程设计、勘察及监测等工作。